《云辐射与气候》

<正>云可以将大气动力、辐射、水分循环和下垫面等多个物理过程相互耦合、通过多种方式影响气候系统,是当前气候模拟和气候变化研究中最大的不确定因子之一。该书首先结合地面与多种卫星观测资料,分别给出全球和东亚地区云与太阳辐射的变化特征及归因,研究了地面太阳辐射的变化对地面气温的影响程度。其次,基于卫星观测资料研究了气候模式中描述云辐射过程的关键物理参数(抗相关厚度)的     

先进技术微波探测仪(ATMS)云液态水路径算法评估

云液态水路径是气候和天气系统分析的重要参数,可以从卫星观测资料反演获得.目前,基于卫星微波探测仪器观测资料的云水算法可由23.8和31.4 GHz两个通道产生.本研究使用先进技术微波探测仪(ATMS)观测数据,对物理和经验两种算法反演出的云液态水路径进行验证评估.结果表明,经验算法和物理算法都可以描述云液态水在全球洋面...     

气候模式中云的垂直重叠及其辐射传输问题研究进展

概述了全球气候模式中云的垂直重叠的处理方法及其辐射物理过程的最新研究进展。从云垂直重叠模型的构造、模型在气候模式中的实现方式,得到与观测一致的云重叠结构所采用的数据和方法、重叠云的辐射传输等方面,给出了针对这一国际研究难点问题的最新研究进展。关于气候模式中云的垂直重叠问题的研究至今已取得了许多成果,表现在:重叠模型上有了更为科学的描述形式(如指数衰减重叠);重叠云的辐射传输也有了更快速的处理方法(如蒙特卡洛独立柱近似)并被广泛应用;连续的三维云遥感观测(如CloudSat/CALIPSO)和云分辨尺度的三维云模式的发展为在气候模式中精确描述云的垂直结构提供了丰富的观测资料和模式数据。但是,气候模式中现有的云重叠结构处理及其辐射传输方法还远不够完善,仍然存在很多没有解决的问题需要在未来进行探索。     

积云对流和云物理过程调整对气候模拟的影响

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 的大气环流谱模式SAMIL, 结合观测与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告 (IPCC AR4) 大气模式集合平均结果, 以大气辐射通量为例, 诊断分析了物理过程调整前后模式对气候模拟的影响。旧版本SAMIL对大气辐射通量的模拟存在较大偏差, 经过大气辐射过程、 积云对流和诊断云等物理过程的调整后, 新版本SAMIL模拟的全球辐射通量的年平均结果与观测的偏差大幅减小, 其中大气顶能量收支的年变化及其平均值与观测更为接近。在积云对流方案调整基础上, 通过对诊断云物理方案的进一步调整, 新版本SAMIL对云物理量模拟更为合理, 在赤道辐合带等区域, 在很大程度上克服了单一积云对流物理过程调整引起的云宏观和微观属性不匹配问题, 能模拟出夏季气候平均辐射通量的全球分布特征, 尤其在东亚区域有较好的模拟能力。研究还表明, 在热带和副热带对流活跃区域, 当前SAMIL中积云对流过程偏差对辐射通量的模拟偏差有很大影响, 而模式中较为简单的诊断云方案也会将云宏观物理量模拟偏差带入云微观量模拟中, 也是主要偏差源之一。本文结果表明, 要继续提高SAMIL的模拟性能, 急需更新云物理参数化方案以改进云辐射过程的模拟, 同时也需要有针对性的研究积云对流和云物理过程之间相互作用, 并作进一步协同调整。     

适应极地快速变化海冰模式的研发与挑战

极地海冰是地球气候系统的重要组成部分,也是气候环境变化的指示器和放大器.极地海冰复杂的多尺度物理过程和极地观测资料的匮乏,给海冰模式的研发带来了巨大的挑战.在过去的半个多世纪中,大气-海冰-海洋的复杂相互作用和冰内物理过程在海冰模式中的数学描述取得了重大的进展,但海冰模式对一些重要物理过程的描述仍很不完善,尤其是近年来...     

气候变化研究使用气候资料受影响的可能性分析

通过对气候变化研究所要用到站点的地面气候资料在观测站点确定及在收集过程中可能受到的各种影响进行全面分析得出：进行气候变化的研究时,首先应评估站点的代表性范围以决定气候资料是否可用;其次应详尽了解站点的历史沿革资料,以便掌握气候资料在收集过程中其代表性是否发生变化;最后考察观测时期内气候资料是否具有均一性,以便考虑是否要对其作序列订正。     

Argo大洋观测资料的同化及其在短期气候预测和海洋分析中的应用

国际Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)计划的实施,提供了前所未有的全球深海大洋0～2000 m水深范围内的海水温度和盐度观测资料,在大气和海洋科研业务中应用这一全新的资料,是深入认识大气和海洋变异、提高我国气候预测、海洋监测分析和预报能力的一个关键所在.通过开发非线性温—盐协调同化方案和利用同化高度计资料来调整模式的温度和盐度场,建立了可同化包括Argo等多种海洋观测资料的全球海洋资料变分同化系统,提高了对全球海洋的监测分析能力.实现了海洋资料同化系统与全球海气耦合模式的耦合,显著提高了短期气候预测水平.利用Argo资料改进了海洋动力模式中的物理过程参数化方案,有效提高了海洋模式对真实大洋的模拟能力和对厄尔尼诺/拉尼娜的预测能力.开发了利用Argo浮标漂流轨迹推算全球海洋表层和中层流的方法,提高了推算的全球表层流、中层流资料质量,有效弥补了洋流观测的匮乏.     

南北极地区地气相互作用过程的研究

该项目研究目标是充分利用我国在南北极地区进行的各种观测实验资料,对南北极地气相互作用过程特征,进行深入的综合分析研究,并为气候模式提供重要的边界层物理参数.该项目主要研究成果有:     

大气环流模式射出长波辐射日循环模拟

1.引言由卫星观测平台进行的地球辐射平衡(ERB)观测表明,它对于气候研究及气候模式的合理化具有重要意义(Hartmann等,1986).这些资料能直接给出地球气候系统的能源——辐射加热的水平分布.此外,由于辐射热受到云量的强烈影响,这些资料还含有云的分布及其辐射特征的信息.因此,这种观测可以为大气通用环流模式(AGCM)     

最优化方法在确定对流混合层顶夹卷率中的应用

晴天充分混合的对流边界层(CBL)中常采用相对简单的零阶近似平板模式.在该模式中,通常假设边界层顶的夹卷通量与地面通量有着固定的线性关系作为其闭合条件,即/(wθ)h=-A/(wθ)s.由于受观测资料的限制,参数A通常是由大涡模拟(LES)的方法得到,并利用有限的观测资料加以验证.作者基于ARM(Atmospheric RadiationMeasurement Program)观测资料,利用最优化参数算法,确定该闭合参数,使得对流混合层模式能最大可能地再现实际边界层的发展过程.首次尝试了最优参数算法在确定真实物理过程参数中的应用.模拟结果分析表明,在观测资料足够多的情况下,最优化方法应是确定该闭合参数的行之有效的方法.     

三亚国家气候观象台气象观测现状及展望

正三亚国家气候观象台的立项建设对南海和太平洋热带气旋、南海秋季暴雨、海岛雷电等灾害性天气有很好的监测预警作用,对改进我国南海地区天气、气候模式和边界层、云物理过程参数化方案等起着重要性作用。三亚国家气候观象台(下称三亚观象台)位于三亚市东南方的六道岭,距市区直线距离约10 km,由5个观测区组成,最高观测区(即地面观测场)海拔高度为419.4 m。六道岭为二级林业保护区,由灌木林和人工种植的桉树覆盖,周边地形从海洋到山地过渡,     

卫星监测气候的现状和发展前景

要想在气候规律的研究方面获得较大的成效,首先需要改进对气候参数和气候因子进行观测的手段,以及对气候和气候变化进行数值模拟。由于“大气-海洋-冰雪圈-生物圈”所组成的气候系统具有全球性和多元性,从而决定了空间观测工具在获取气候和气候变化资料方面的特殊作用。本文打算对空间观测工具在气候研究中的作用和现状以及今后10—15年的发展前景作一综合评述。评     

GRAPES模式不同云物理方案对短期气候模拟的影响

在胡志晋、刘奇俊云物理方案的基础上，研制了GRAPES模式的云降水显式方案。用不同云物理方案开展了短期气候（月尺度）过程的模拟试验，并与地面观测资料和NECP再分析资料进行了对比分析。模拟的结果表明，耦合了云降水显式方案的GRAPES模式较好地模拟出了中国地区降水、温度、云量、长短波辐射的特点和分布规律。气候模拟中冰相过程和暖云过程模拟的降水、温度、云量和辐射差异较大，不同相态的水凝物及其分布对辐射特征有较大的影响，混合相云物理方案的模拟结果与实况更为吻合，应使用混合相云物理方案进行短期气候的模拟。     

气候观测系统及其相关的关键问题

地球系统中的大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈构成了气候系统, 气候系统中不同圈层之间的相互作用决定了气候的自然变化。由于人类活动的日益加剧, 对气候系统已经产生了显著影响。气候的自然变化和人类活动导致的气候变化对社会经济的发展以及人民生活的影响日益加大, 并涉及到国家安全、环境外交和可持续发展等一系列重大问题。要认识气候变化及其强迫因素、预测未来气候变化, 最基础的工作是建立针对气候目的涉及到气候系统五大圈层的综合气候观测系统, 以获取所需的高质量资料和相关产品, 提供气候系统变化的详细信息。该文回顾了气候观测系统设计在中国的发展以及中国气象科学研究院在组织设计中国气候观测系统中的作用, 并指出了在建立我国气候观测系统中存在的一些需要改进的方面。在对气候观测系统进行分析的基础上, 指出了与建立气候观测系统相关的10个方面的关键问题, 这些问题包括:气候观测系统的科学需求、气候观测系统的代表性、全面性、规范性、对气候预测和预估及模式发展的支撑性、多学科应用性、社会经济性、资料开放共享性以及气候系统资料的同化再分析和历史资料的抢救。     

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。     

地面气候资料均一性研究进展

气象台站观测的地面气候资料是气候变化研究的重要基础,气候资料的均一性检验和订正对于提高气候资料的质量和均一性状况具有实用意义和价值.通过回顾近年来国内外地面气候资料均一性研究进展、研究技术及发展趋势,总结了目前国内广泛应用的两种较为成熟的均一化方法(RHtest和MASH)及其对气温、风速资料均一性研究取得的一些成果,...     

加密探空资料同化对一次降水预报能力改进研究

通过设计不同的试验方案,将加密探空资料同化到WRF模式中,对一次层状云系的降水过程进行了数值模拟.采用实时四维资料同化的方法,使得背景场和观测资料相协调,在一定程度上解决了模式的spin up问题.将温度同化到模式里,改变了模式原有的热力场,使得模式动力场随之改变,模式模拟的结果更接近实际观测.经过松弛(nudging)之后,得到的雷达回波、高度场、温度和实况很像,降水也要比不加探空资料的降水更接近实况.鉴于只有两个地方的探空资料,并不能覆盖整个模式区域,以及同化过程还需要改进,模式模拟的结果和实际观测之间还有一定的差异,有待更深入的研究.     

区域环境系统集成模式对1997/1998年夏季中国两个极端气候事件模拟能力分析

区域环境系统集成模式(RIEMS2.0,Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上发展的区域气候模式。为了检验RIEMS2.0对短期气候的模拟能力,利用降水和气温(2 m)观测资料检验RIESM2.0不同物理过程和初始条件集合模拟1997/1998年夏季中国华北地区高温干旱和长江流域洪涝两个连续极端气候事件的能力(连续积分时间(1997年3月1日—1998年8月31日)共18个月),比较模拟和观测的1997/1998年夏季降水和气温。集合模拟结果表明RIEMS2.0能很好模拟1997/1998年夏季降水和气温及其两年差值分布;模拟和观测的日降水和平均气温结果有很好的相关性,但是降水模拟总体高估,干旱和江淮及江南区气温模拟偏高而半干旱和湿润区气温模拟偏低。在不同物理过程集合模拟中,虽然集合平均距平相关系数(ACC)和均方根误差(RMSE)并不是优于所有集合成员值,但集合模拟能减小模式的不确定性,在一定程度上提高模拟精度。不同显式水汽方案和积云参数化方案对降水、气温模拟效果表现出很好的一致性,湿润区一致性最好。因此,RIEMS2.0模拟能揭示1997/1998年两个连续极端气候事件夏季降水和气温空间分布,反映不同子区域降水和气温分布特征,各集合成员的模拟结果存在差异的同时也保持了很好的稳定性,选择合适的物理过程可以提高模式对区域气候的模拟能力。     

英国CRU高分辨率格点资料揭示的20世纪中国气候变化

中国覆盖比较完整的台站观测始于1951年,1951年之前虽然有一些观测记录,但是残缺不全.所以要建立更长的气候序列就要吸收代用资料,但是代用资料可能与气候要素仅有一定程度的相关,不可能一一对应,因此应用代用资料重建的气候序列有一定的不确定性.英国East Anglia大学的Climatic Research Unit(简称CRU)通过整合已有的若干个知名数据库,重建了一套覆盖完整、高分辨率、且无缺测的月平均地表气候要素数据集,时间范围覆盖1901～2003年,空间为0.5°×0.5°经纬网格覆盖所有陆地.这套资料和中国已有的气候数据相比具有如下优点: 第一,中国西部20世纪前半期非常缺少观测,CRU资料尽管包含插值带来的误差,经比较仍可作为有一定信度的参考; 第二,中国现有的百年温度序列只是年或季分辨率,而CRU资料达到月分辨率; 第三,建立这个序列仅使用观测结果,做统计内插,不包括代用资料所带来的不确定性.因此,CRU的序列与用代用资料补充得到的序列在资料方面有较大不同,比较这两个序列,不仅可以进一步确认中国气候变化的特征,也可以彼此校正.结果表明:(1)CRU资料反映的全国年平均温度年际变化和考虑代用资料重建的序列吻合得很好,相关系数达到0.84;(2)区域尺度上,两者在10个典型分区的气温变率也相当一致,相关整体保持在0.8左右,仅新疆西南部和西藏西北部两者差异较大;(3)CRU资料揭示的中国年总降水量在1951～2000年的变化与160站观测吻合,相关系数达到0.93;(4)CRU资料的中国东部四季降水量和重建资料十分一致,秋季一致性最好,相关0.93;(5)CRU资料和重建的序列比较一致地表现出中国温度和降水年代际变化的主要特征,其给出的20世纪20年代中国大旱和20世纪40年代中国高温的空间分布与作者过去的结论相一致.这表明,作者过去重建的中国气候序列有比较大的可靠性,而CRU资料也提供了新的信息,特别是在20世纪前半期和中国西部.     

浙江湘湖国家旅游度假区气象环境条件分析

利用萧山国家气象观测站30a(1981-2010年)的气候观测资料,分析了浙江湘湖国家旅游度假区生态气候特征和主要旅游气象灾害发生时段,利用湘湖落雁岛1 a(2019年4月至2020年3月)负氧离子监测数据,分析了度假区负氧离子浓度特征.采用温湿指数、风效指数进行气候舒适度分析评价,采用度假气候指数(HCI)进行气候适...